隧道的盾构法施工工艺

盾构法施工是在隧道的一端建造始发竖井，将盾构安装就位，在地层中沿设计轴线向另一端到达竖井掘进。盾构掘进中受到的地层阻力，通过盾构千斤顶传至盾构尾部拼装好的衬砌管片上，盾构机既能承受围岩压力又能在地层中自动前进。学习《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2008）相关条文。

在现代城市地下工程建设中，盾构法是修建地铁轨道交通最好的施工方法之一。盾构法适用于第四纪地层、湿陷性黄土、海相沉积地层等无侧限抗压强度中等偏低的地层和软岩地层，随着机械设备和施工工艺的不断发展，盾构法的适用范围不断扩展。盾构机施工流程见示意图。

一、盾构机

（一）盾构机的种类

按盾构断面形状不同可将盾构分为：圆形、拱形、矩形和马蹄形四种。其中，圆形因其抵抗地层中的土压力和水压力较好，衬砌拼装简便，可采用通用构件，便于更换，因而应用广泛。按开挖方式不同可将盾构分为：手工挖掘式、半机械挖掘式和机械式；按盾构前部构造不同可将盾构分为：敞胸式和闭胸式；按排除地下水与稳定开挖面的方式不同可将盾构分为：人工井点降水、泥水加压式、土压平衡式的无气压盾构，局部气压盾构，全气压盾构等。随着地下工程的发展，盾构机的种类越来越多，适应性越来越广泛，根据盾构机性能及设计原理可将盾构机进行如下分类

表盾构机分类

序号	盾构机类别	盾构机性能
1	敞口式盾构	有全部或部分的正面支撑，人工或正反铲开挖；无正反面支撑，人工或正反面开挖；正面有切削土体或软岩的刀盘；
2	半机械化盾构	正面全部胸板封闭，挤压推进；留有可调节进土孔口的面积，局部挤压推进；正面网格上覆盖全部或部分封板。装调节开挖面积的闸门，挤压、局部挤压推进；
3	机械化盾构	正面密封封仓中加氧压，刀盘切削土体的，称局部气压盾构；正面密封舱中设土压或土压加泥式平衡装置的，称为、泥水平衡盾构、泥水加氧式平衡盾构；正面密封舱中设土压或土压加泥式平衡装置，称土压平衡式、盾构或加泥式土压平衡盾构；复合式盾构；
4	TBM盾构	在硬岩中使用的隧道掘进机（TBM）分敞开式和密封式，盾构正面的切削有大刀盘加滚刀组成的复合刀盘。

（二）盾构机的结构

盾构机主要构造主要分为盾构壳体、推进系统和拼装系统三大部分。

1、盾构壳体

对于盾构的形式，其本体从工作面开始均可分为切口环、支承环和盾尾三部分。

（1）切口环。切口环是开挖和挡土部分，它位于盾构的最前端，施工时是先切入地层并掩护开挖作业，部分盾构切口环前端设有刃口，以减少切入掘进时对地层的扰动。切口环保持着工作面的稳定，并作为将开挖下来的土体向后运输的通道。切口环的长度主要取决于盾构正面支承、开挖的方式。

（2）支承环。支承环是盾构的主要结构，是承受用于盾构上全部载荷的骨架。它紧接与切口环，位于盾构中部，通常是一个刚性很好的圆形结构。地层压力、所有千斤顶的反作用力、切开入土正面阻力和衬砌拼装时的施工载荷均由支承环承受。支承环外沿布置有千斤顶，中间布置有拼接机及部分液压设备、动力设备操纵控制台。支承环的长度应不小于固定盾构千斤顶所需的长度。

（3）盾尾。盾尾一般是由盾构外壳钢板延伸构成，主要用于掩护隧道管片衬砌的安装工作。盾构末端设有密封装置，以防止水、土及压注材料从盾尾和衬砌之间进入盾构内。盾尾厚度从整体结构上考虑应尽量薄，这样可以减少地层与衬砌形成的建筑间隙，从而减少压浆工作量，对地层的扰动范围小，有利于施工。盾尾的长度必须根据管片宽度、形状和盾尾的道数确定。

2、推进系统

推进机构主要由盾构千斤顶和液压设备组成。盾构千斤顶沿支承环周围均匀布置，对于千斤顶的台数和每个千斤顶的推力，要根据盾构外径、总推力大小、衬砌结构、隧道断面形状等条件而定。推进系统。

3、拼装系统

拼装系统即为衬砌拼装器，其主要设备为举重臂，以液压为动力。一般举重臂安装在支承环后部。举重臂作旋转、径向运动，还能沿隧道中线作往复运动，完成这些动作的精度应能保证待装配的衬砌管片的螺栓与已拼装好的管片螺栓孔对好，以便插入螺栓固定。

二、盾构法施工流程

盾构法施工流程包括盾构的始发和到达、盾构的掘进、衬砌、注浆等，盾构隧道施工流程如图所示。

1、盾构的始发和到达。盾构法施工的隧道，在始发和到达时，需要有拼装和拆卸盾构用的竖井。竖井的平面形状一般为矩形、圆形和其他特殊形状，主要由竖井深度、挡土支护等决定。在竖井的端墙上应预留出盾构通过的封门。

目前常用的施工方法中，沉箱系列的有压气沉箱和开口沉箱法，挡土墙系列的有喷锚法、钢板桩法、SMW法和地下连续墙法。根据土质条件竖井施工法有所不同，但深度小于15m的竖井，多采用锚喷法、钢板桩法和SMW施工法。特别是要求低噪音、低振动的场合，不需要拆除时，采用锚喷施工法较多；深度超过20m的竖井，根据挡土墙的强度常采用护壁桩、地下连续墙或开口沉箱法等施工方法。

2、盾构机拼装。盾构机拼装前在拼装室底部铺设混凝土垫层并埋设钢轨导向，防止盾构机旋转。由于起重设备和运输条件限制，通常将盾构机拆成切口环、支承环和盾尾三部分运输，然后逐一放到垫层上。切口环和支承环用螺栓连接成整体，并在螺旋连接面外圈加薄层电焊，盾尾与支承环之间采用对接焊连接。拼接好的盾构后面设置由型钢拼成的反力支架和传力管片。一般情况下，这种传力管片均不封闭成环，故两侧都要将其支撑住。

3、洞口加固。当盾构工作井周围地层条件不理想时，必须对其进行加固，否则在凿除封门后，土体和地下水会涌入井内，导致地表沉陷并危及周边建筑物的安全。常用的加固方法有注浆、旋喷、深层搅拌、井点降水、冻结等。加固好的土体应有一定的自立性、防水性和强度，一般以单轴无侧限抗压强度0.3～1.0MPa为宜。

4、盾构推进。根据地层围岩条件，通过调整千斤顶的行程和推力，保证盾构机沿设计方向准确推进，同时保证开挖工作面的稳定。盾构推进时，必须随时掌握盾构的位置和方向，在适当的位置施加推力，通过曲线、变坡点来修正蛇形行为。由于地层软弱或管片构造等原因，盾构前倾，推进时可在盾构前方的底部铺筑混凝土，或用化学注浆法加固地基，或在盾构前面的底部架设翘曲板。当盾构的直径与长度比较小时，盾构转向困难，故有时采用阻力板。当盾构出现偏转时，调节平衡板的角度，或在偏转方向的反侧加设压铁，或在盾构千斤顶和衬砌间插入垫块，从而达到修正偏移的目的。

目前盾构机的主流发展方向由开挖面开敞型向泥水式和土压式的开挖面密封型转变。盾构掘进管理的目的是保持隧道线形和开挖面稳定的同时，尽早进行尾隙处理，防止围岩松弛和下沉。

表土体加固最小尺寸

参数	直径/m
D＜1.0	1.0＜D＜3.0	3.0＜D＜5.0	5.0＜D＜8.0
B	1.0	1.0	1.5	2.0
H1	1.0	1.5	2.0	2.5
H2	1.0	1.0	1.0	1.0

5、衬砌、注浆注1。盾构推进后将若干管片组成环状，完成一次衬砌施工。二次衬砌在一次衬砌、防水、清扫等作业后进行，可用无筋或有筋混凝土浇筑。在盾构推进的同时或滞后立即进行注浆，将衬砌背后的空隙全部充实，防止围岩松弛下沉，增加结构的整体性和抗震性，回填注浆是工程成败的关键因素之一。注浆材料有水泥砂浆、加气砂浆、速凝砂浆、小砾石混凝土、纤维砂浆、可塑性装材料等，注浆压力取1.1～1.2倍的静止土压力。

三、盾构法施工地表沉降防治

国内外实践经验表明，盾构法施工会扰动地层而引起地表沉降，且不可能完全消除。地表沉降达到一定程度就会危及周围地下管线和建筑物的安全。做好盾构掘进的施工管理，即对盾构施工参数优化是防治地面沉降的基本措施：

1、保持开挖面的稳定性，开挖面的稳定性可用稳定系数N来描述。当N=1～2时，地层损失率可控制在1%；当N=2～4时，地层损失率可控制在0.5%～11%；当N=4～6时，地层损失率较大。

2、及时、有效、足量地充填衬砌背后的间隙，必要时还可以通过在管片上的注浆孔进行二次注浆法加固，充填第一次注浆后留下的空隙。

3、严格控制盾构施工中的偏差量。盾构施工偏差量大，不但影响地铁等交通的使用，还会导致地表沉降量偏大。

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注1《地铁设计规范》GB50157-2013规定：

11.5.4 盾构法隧道衬砌的选型，应根据工程地质和水文地质条件、功能要求、隧道大小、使用条件等因素确定。从国内和国际地铁隧道工程衬砌的应用情况看，单层衬砌在耐久性、受力、变形和防水等方面均能够较好的满足需求，因此建议一般情况下宜优先采用单层衬砌结构。考虑到地铁工程的耐久性要求高，抗变形能力不如现浇钢筋混凝土结构好，尤其是处于对混凝士耐久性不利地层环境(如海水侵蚀环境等)时，管片结构易腐蚀且修复比较困难，可以考虑在管片内部浇筑钢筋混凝土内衬。